Sel masjiene
In 2016 is die Nobelprys in Chemie toegeken vir 'n indrukwekkende prestasie - die sintese van molekules wat as meganiese toestelle optree. Daar kan egter nie gesê word dat die idee om miniatuurmasjiene te skep 'n oorspronklike menslike idee is nie. En hierdie keer was die natuur eerste.
Die bekroonde molekulêre masjiene (meer daaroor in die artikel uit die Januarie-uitgawe van MT) is die eerste stap in die rigting van 'n nuwe tegnologie wat binnekort ons lewens kan omkeer. Maar die liggame van alle lewende organismes is vol nanoskaalmeganismes wat selle doeltreffend laat funksioneer.
In die middel…
... selle bevat 'n kern, en genetiese inligting word daarin gestoor (bakterieë het nie 'n aparte kern nie). Die DNA-molekule self is verstommend - dit bestaan uit meer as 6 biljoen elemente (nukleotiede: stikstofbasis + deoksiribose suiker + fosforsuurresidu), wat drade vorm met 'n totale lengte van ongeveer 2 meter. En ons is nie kampioene in hierdie verband nie, want daar is organismes wie se DNS uit honderde biljoene nukleotiede bestaan. Om so 'n reuse-molekule in die kern te pas, onsigbaar vir die blote oog, word DNS-stringe saam in 'n heliks (dubbelheliks) gedraai en om spesiale proteïene genaamd histone gedraai. Die sel het 'n spesiale stel masjiene om met hierdie databasis te werk.
Jy moet voortdurend die inligting wat in DNA vervat is, gebruik: lees die rye wat kodeer vir die proteïene wat jy tans benodig (transkripsie), en kopieer die hele databasis van tyd tot tyd om die sel te verdeel (replikasie). Elkeen van hierdie stappe behels die ontrafeling van die heliks van nukleotiede. Vir hierdie aktiwiteit word die helikase-ensiem gebruik, wat in 'n spiraal beweeg en - soos 'n wig - dit in aparte drade verdeel (dit alles lyk soos weerlig). Die ensiem werk as gevolg van die energie wat vrygestel word as gevolg van die afbreek van die universele energiedraer van die sel - ATP (adenosientrifosfaat).
Model van die ATP-molekule. Aanhegting en losmaak van fosfaatreste (links) verskaf energie-uitruiling in sellulêre chemiese reaksies.
Nou kan jy begin om kettingfragmente te kopieer, wat RNA-polimerase doen, ook aangedryf deur die energie vervat in ATP. Die ensiem beweeg langs die DNS-string en vorm 'n gebied van RNA (wat suiker, ribose in plaas van deoksiribose bevat), wat die sjabloon is waarop proteïene gesintetiseer word. Gevolglik word DNS bewaar (vermy konstante ontrafeling en lees van fragmente), en daarbenewens kan proteïene regdeur die sel geskep word, nie net in die kern nie.
’n Byna foutvrye kopie word verskaf deur DNA-polimerase, wat soortgelyk aan RNA-polimerase optree. Die ensiem beweeg langs die draad en bou sy eweknie op. Wanneer 'n ander molekule van hierdie ensiem langs die tweede string beweeg, is die resultaat twee volledige stringe DNA. Die ensiem het 'n paar "helpers" nodig om te begin kopieer, fragmente saam te bind en onnodige rekmerke te verwyder. DNA-polimerase het egter 'n "vervaardigingsdefek". Dit kan net in een rigting beweeg. Replikasie vereis die skepping van 'n sogenaamde starter, vanwaar die werklike kopiëring begin. Sodra dit voltooi is, word die primers verwyder en aangesien die polimerase geen rugsteun het nie, word dit met elke DNA-kopie verkort. Aan die punte van die draad is beskermende fragmente genoem telomere wat nie vir enige proteïene kodeer nie. Na hul verbruik (by mense, na ongeveer 50 herhalings), bly die chromosome bymekaar en word gelees met foute, wat seldood veroorsaak of die transformasie daarvan in 'n kankeragtige een. Die tyd van ons lewe word dus deur die telomeriese horlosie gemeet.
Die kopiëring van DNA vereis baie ensieme om saam te werk.
’n DNS-grootte molekule ondergaan permanente skade. 'n Ander groep ensieme, wat ook as gespesialiseerde masjiene optree, handel oor probleemoplossing. 'n Verduideliking van hul rol is met die 2015 Chemieprys bekroon (vir meer inligting sien die Januarie 2016-artikel).
Binne...
… selle het 'n sitoplasma - 'n suspensie van komponente wat hulle met verskeie lewensbelangrike funksies vul. Die hele sitoplasma is bedek met 'n netwerk van proteïenstrukture waaruit die sitoskelet bestaan. Die sametrekking van mikrovesels laat die sel toe om sy vorm te verander, sodat dit kan kruip en sy interne organelle beweeg. Die sitoskelet sluit ook mikrotubuli in, d.w.s. buise gemaak van proteïene. Dit is redelik rigiede elemente ('n hol buis is altyd stywer as 'n enkele staaf met dieselfde deursnee) wat 'n sel vorm, en van die mees ongewone molekulêre masjiene beweeg daarlangs – loopproteïene (letterlik!).
Mikrotubuli het elektries gelaaide punte. Proteïene wat diniene genoem word, beweeg na die negatiewe fragment, terwyl kinesiene in die teenoorgestelde rigting beweeg. Danksy die energie wat vrygestel word deur die afbreek van ATP, verander die vorm van loopproteïene (ook bekend as motor- of vervoerproteïene) in siklusse, wat hulle toelaat om soos 'n eend oor die oppervlak van mikrotubuli te beweeg. Molekules is toegerus met 'n proteïen "draad", aan die einde waarvan 'n ander groot molekule of 'n borrel gevul met afvalprodukte kan vassit. Dit alles lyk soos 'n robot wat swaaiend 'n ballon aan 'n tou trek. Rollende proteïene vervoer die nodige stowwe na die regte plekke in die sel en beweeg sy interne komponente.
Byna alle reaksies wat in die sel voorkom word deur ensieme beheer, waarsonder hierdie veranderinge byna nooit sou plaasvind nie. Ensieme is katalisators wat soos gespesialiseerde masjiene optree om een ding te doen (baie dikwels versnel hulle net een spesifieke reaksie). Hulle vang die substrate van transformasie vas, rangskik dit gepas vir mekaar, en na die einde van die proses stel hulle die produkte vry en begin weer werk. Die assosiasie met 'n industriële robot wat eindeloos herhalende aksies uitvoer, is absoluut waar.
Molekules van die intrasellulêre energiedraer word gevorm as 'n neweproduk van 'n reeks chemiese reaksies. Die hoofbron van ATP is egter die werk van die mees komplekse meganisme van die sel - ATP-sintase. Die grootste aantal molekules van hierdie ensiem is geleë in die mitochondria, wat as sellulêre "kragsentrales" optree.
ATP sintase - bo: vaste deel
in die membraan, dryfas, verantwoordelike fragment
vir ATP-sintese
In die proses van biologiese oksidasie word waterstofione van die binnekant van individuele dele van die mitochondria na buite vervoer, wat hul gradiënt (konsentrasieverskil) aan beide kante van die mitochondriale membraan skep. Hierdie situasie is onstabiel en daar is 'n natuurlike neiging vir konsentrasies om gelyk te maak, wat is waaruit ATP-sintase voordeel trek. Die ensiem bestaan uit verskeie bewegende en vaste dele. ’n Fragment met kanale is in die membraan vasgemaak waardeur waterstofione uit die omgewing in die mitochondria kan penetreer. Strukturele veranderinge wat deur hul beweging veroorsaak word, roteer 'n ander deel van die ensiem - 'n verlengde element wat as 'n dryfas dien. Aan die ander kant van die staaf, binne-in die mitochondrion, is nog 'n stuk van die stelsel daaraan geheg. Die rotasie van die as veroorsaak die rotasie van die interne fragment, waaraan, in sommige van sy posisies, substrate van die ATP-vormende reaksie geheg is, en dan, in ander posisies van die rotor, 'n klaargemaakte hoë-energie verbinding . vrygestel.
En hierdie keer is dit nie moeilik om 'n analogie in die wêreld van menslike tegnologie te vind nie. Net 'n kragopwekker. Die vloei van waterstofione laat die elemente binne die molekulêre motor beweeg wat in die membraan geïmmobiliseer is, soos die lemme van 'n turbine wat deur 'n stroom waterdamp aangedryf word. Die as dra die aandrywing oor na die werklike ATP-generasiestelsel. Soos die meeste ensieme, kan sintase ook in die ander rigting optree en ATP afbreek. Hierdie proses laat 'n interne motor aan die gang sit wat die bewegende dele van die membraanfragment deur 'n as dryf. Dit lei weer tot die uitpomp van waterstofione uit die mitochondria. Die pomp word dus elektries aangedryf. Molekulêre wonder van die natuur.
Op die grens...
... Tussen die sel en die omgewing is daar 'n selmembraan wat die interne orde skei van die chaos van die eksterne wêreld. Dit bestaan uit 'n dubbele laag molekules, met die hidrofiele ("water-liefdevolle") dele na buite en die hidrofobiese ("water-vermydende") dele na mekaar toe. Die membraan bevat ook baie proteïenmolekules. Die liggaam moet in kontak kom met die omgewing: absorbeer die stowwe wat dit nodig het en stel afval vry. Sommige chemiese verbindings met klein molekules (byvoorbeeld water) kan volgens die konsentrasiegradiënt in beide rigtings deur die membraan beweeg. Verspreiding van ander is moeilik, en die sel self reguleer hul absorpsie. Verder word sellulêre masjiene vir transmissie gebruik - vervoerbande en ioonkanale.
Die vervoerband bind 'n ioon of molekule en beweeg dan daarmee na die ander kant van die membraan (wanneer die membraan self klein is) of - wanneer dit deur die hele membraan gaan - beweeg die versamelde deeltjie en laat dit aan die ander kant vry. Natuurlik werk vervoerbande beide kante en is baie "fynsig" - hulle vervoer dikwels net een soort stof. Ioonkanale toon 'n soortgelyke werkende effek, maar 'n ander meganisme. Hulle kan vergelyk word met 'n filter. Vervoer deur ioonkanale volg gewoonlik 'n konsentrasiegradiënt (hoër tot laer ioonkonsentrasies totdat hulle afplat). Aan die ander kant reguleer intrasellulêre meganismes die opening en sluiting van gange. Die ioonkanale toon ook hoë selektiwiteit vir deeltjies om deur te gaan.
Ioonkanaal (links) en pypleidings in werking
Die bakteriële flagellum is 'n ware dryfmeganisme
Daar is nog 'n interessante molekulêre masjien in die selmembraan - die flagellum-aandrywing, wat die aktiewe beweging van bakterieë verseker. Dit is 'n proteïenenjin wat uit twee dele bestaan: 'n vaste deel (stator) en 'n roterende deel (rotor). Beweging word veroorsaak deur die vloei van waterstofione vanaf die membraan na die sel. Hulle betree die kanaal in die stator en verder in die distale deel, wat in die rotor geleë is. Om binne die sel te kom, moet waterstofione hul pad vind na die volgende gedeelte van die kanaal, wat weer in die stator is. Die rotor moet egter roteer sodat die kanale kan konvergeer. Die punt van die rotor, wat verby die hok uitsteek, is geboë, 'n buigsame flagellum is daaraan geheg, wat soos 'n helikopterskroef roteer.
Ek glo dat hierdie noodwendig kort oorsig van die sellulêre meganisme dit duidelik sal maak dat die wenontwerpe van die Nobelpryswenners, sonder om afbreuk te doen aan hul prestasies, nog ver van die volmaaktheid van die skeppings van evolusie is.
